电气化铁路有源补偿结构的拓扑辨识及分析.pdf

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1、电气化铁路有源补偿结构的拓扑辨识及分析王果1，田铭兴1，任恩恩1，丁丽娜2，刘霞3（1.兰州交通大学 自动化与电气工程学院，甘肃 兰州730070；2.大连海洋大学 信息工程学院，辽宁 大连116023；3.西安文理学院 机械电子工程系，陕西 西安710065）摘要：基于电气化铁路单臂负荷基本补偿系统，推导得到了电气化铁路单臂有源补偿系统拓扑数目的通用公式及简化公式。通过分析，得到了正确拓扑结构。通过分析比较各种不同拓扑的结构特点及适用范围，得到适用于工频25 kV单相交流电气化铁路单臂负荷不同情况下的拓扑结构形式，为电气化铁路不同供电方式下的补偿拓扑选定提供参考依据。关键词：电气化铁路；有源

2、补偿；拓扑；辨识；拓扑分析中图分类号：TM 711；U 223.5+3文献标识码：A文章编号：10066047（2012）01004905电 力 自 动 化 设 备Electric Power Automation EquipmentVol32 No1Jan.2012第32卷第1期2012年1月电气化铁路的无源补偿装置存在诸多缺陷，有源补偿成为电气化铁路负荷补偿的一个发展方向。为降低成本出发，充分发挥有源元件和无源元件的优势，有源元件和无源元件组合构成的混合补偿成为电气化铁路补偿的一个发展方向。随着高速重载电气化铁路的发展，有必要对电气化铁路负荷混合补偿拓扑进行辨识和分析，找出更适合电气化铁路

3、牵引负荷的拓扑结构1-16。本文通过以下方法对混合补偿进行分析：分析电气化铁路牵引负荷的类型及对混合补偿拓扑的限制；在基本补偿系统的基础上推导出补偿网络拓扑的数量关系式；找出适用于电气化铁路混合补偿的拓扑结构。1定义基本补偿系统如图1所示。为了分析方便，做如下定义：a.牵引变压器和牵引负荷之间有m个相异的端子；b.补偿网络中任意2个端子之间可能是断路、短路、有源补偿元件和无源补偿元件；c.令补偿网络中有源元件个数为a，无源元件个数为b，短路线根数最多为c。2电气化铁路基本补偿网络拓扑数量2.1补偿网络拓扑数量通用公式补偿网络共有m个端子，当补偿元件的数量大于1（a+b1）时，补偿网络的端子数量

4、发生变化，补偿网络的端口数量变为m=m+a+b-1。补偿网络m个端口中，任选2个端口放置一个补偿元件构成补偿拓扑的方法有n1=C2mC2ma个C2mC2mb个=（C2m）a+b（1）补偿网络m个端口中有1根短路线所构成的补偿拓扑方法有n2=C2m（C2m-1）a+b（2）补偿网络m个端口中有2根短路线所构成的补偿拓扑方法有n3=C2mC2m（C2m-2）a+b（3）从式（1）（3）分析可知，当a+b=1、c2时，所构成的拓扑数目n为n=n1+n2+n3=（C2m）a+b+鄱i1c（C2m）i（C2m-i）a+鄱鄱b=鄱i0c（C2m）i（C2m-i）a+鄱鄱b（4）补偿网络m个端口中，可能有多

5、根短路线（c3），分下面2种情况进行讨论。a.若c根短路线所连接的端子构成最小生成树，那么它所占用的端子数最多为c+1，所以剩余的端子数目最少为收稿日期：20101222；修回日期：20111123基金项目：甘肃省自然科学基金资助项目（096RJZA092）；甘肃省高等学校基本科研业务费专项资金资助项目；兰州交通大学青年科学基金资助项目Project supported by the Natural Science Fundation of GansuProvince（096RJZA092），Basic Scientific Research Special Fundof Gansu Inst

6、itution of Higher Education and the YoungScholars Science Foundation of Lanzhou Jiaotong University图1基本补偿系统图Fig.1 Basic compensation system牵引变压器1i+1补偿网络im牵引负荷第32卷电 力 自 动 化 设 备mmin=m-c-1+1=m-c（5）当c3时，构成的拓扑数目最少为n4min=鄱i3c（C2m）c（C2m-i）a+鄱鄱b（6）b.若c根短路线所连接的端子构成一个完全图，那么它所占用的端子数目mc最少，由完全图的概念，得：mc（mc-1）2=c（

7、7）可得mc=（11+8c姨）2。实际取mc=（1+1+8c姨）2（当为小数时，取其上限整数值）。所以，剩余的端子数目最多为mmax=m-mc+1（8）当a+b=1、c3时，构成的拓扑数目最多为n4max=鄱i3c（C2m）c（C2m-mi+1）a+姨鄱b（9）其中，mi=（1+1+8i姨）2（当mi为小数时，取其上限整数值）。故当c3时，构成拓扑的最少数和最多数分别为nmin=n1+n2+n3+n4min=C2m+鄱i12（C2m）i（C2m-i）a+姨鄱b+鄱i3c（C2m）c（C2m-i）a+姨鄱b=鄱i0c（C2m）i（C2m-i）a+姨鄱b（10）nmax=n1+n2+n3+n4ma

8、x=C2m+鄱i12（C2m）i（C2m-i）a+姨鄱b+鄱i3c（C2m）c（C2m-mi+1）a+姨鄱b（11）从式（5）（11）分析可知，当a+b=1、c3时，构成的拓扑数目n是不固定的，nnmin，nmax。从以上分析可知：a.当补偿网络中短路线根数c 2时，所产生的拓扑数量是唯一的，为n个；b.当补偿网络中短路线根数c3时，所产生的拓扑数量不唯一，nnmin，nmax。2.2补偿网络数目的简化从2.1节分析可知，在补偿端口和补偿元件较多的情况下，拓扑的数量很大。在众多的补偿拓扑中寻找适用于电气化铁路负荷的补偿拓扑将变得非常困难，必须对拓扑的数量进行简化。首先对电气化铁路的单个供电臂构

9、成的基本补偿网络进行分析，如图2所示。在实际补偿网络中，短路线放置的位置是确定的。在图2所示的基本补偿网络中，在原始的3个端口之间，短路线仅能放在端口1和2之间。随着补偿元件的增多，端口数量随之增多，那么短路线可放置的端口位置也随之增多。短路线若放置在随着补偿元件增加所增加的端口上时，相当于增加的端口数量减少。为此，假设短路线仅考虑放置在系统原始的m个端口上。则基本补偿网络的拓扑数量为n=（C2m）a+b+（C2m-1）a+b（12）其中，m=m+a+b-1，m=3。基本补偿网络（m=3，c1）的拓扑数量n与元件个数（a，b）的关系如表1所示。3混合有源拓扑的辨识及分析3.11个有源元件组成的

10、拓扑1个有源元件共组成4种拓扑结构，去掉电气上连接错误的仅剩下2种，如图3所示。图3（a）的结构主要用来补偿电网电压谐波，隔离谐波电流，平衡或调节负载电网电压。有源元件承受全部基波电压，容量大，绝缘强度高，难以适应线路故障条件，不能进行无功功率动态补偿。该结构串联变压器损耗大，其投切和故障后的退出控制复杂。适用于电压源谐波负载或对电压敏感的负载。图3（b）的结构中，有源元件输出一个与电网谐波和无功电流大小相等、方向相反的补偿电流。有源元件中的开关器件直接承受电网电压，容量较大，很难保证其具有良好的动态性能和低开关损耗。适用于电流源型谐波负载的谐波无功补偿。3.22个有源元件组成的拓扑2个有源元

11、件共组成45种拓扑结构，去掉电气上连接错误的，仅剩下6种，如图4所示。图4（a）（c）结构适用于电流源型负荷，图4（d）（f）结构适用于电压源型负荷。图4（a）结构中，用2个有源元件并联在线路中，一般用于谐波和无功功率都要进行动态补偿的场合。其中一个有源元件由低频的器件构成，容量大，用于大容量无功功率补偿，动态性能好，开关损耗小；图2基本补偿网络Fig.2 Basic compensation network牵引变压器补偿网络一臂牵引负荷123表1拓扑数目简化表Tab.1 Simplified list of topology number（a，b）n（a，b）n（1，0）C23+C22=4（

12、1，1）（C24）2+（C23）2=45（2，0）（C24）2+（C23）2=45（1，2）（C25）3+（C24）3=1 216图3 1个有源元件构成的拓扑结构Fig.3 Topologies composed of one active element（a）拓扑1（b）拓扑2（a）拓扑1（b）拓扑2（c）拓扑3（d）拓扑4（e）拓扑5（f）拓扑6图4 2个有源元件组成的拓扑结构Fig.4 Topologies composed of two active elements另一个有源元件由高频的器件构成，用于补偿负载中的谐波电流。但该方式成本高，实际应用较少4。图4（b）结构中，2个串联的有

13、源元件并联在电路中，下面的有源元件一般进行基波无功功率补偿（一般由多重化逆变器构成，产生好的输出波形，提高装置容量），上面的有源元件用于补偿负荷中的谐波电流和下面有源元件产生的谐波电流，故其承受的电压也较小。但该结构成本高，装置比较复杂5。图4（c）结构是1995年Akagi H等提出的混合有源结构，也称统一电能质量调节器UPQC（UnifiedPower Quality Conditioner）。该结构综合了2种有源补偿的优点，串联的有源元件将电源和负荷隔离，阻止电源谐波电压串入负荷端和负荷谐波电流流入电网；并联的有源元件提供一个零阻抗的谐波支路，把负载中的谐波电流吸收掉。但该结构只能补偿一

14、定量的无功，当负荷变化时无法提供足够的无功，且系统的初期投资比较高6。图4（d）（f）是图4（a）（c）的对偶电路，拓扑功能基本相同。3.31个有源元件和1个无源元件组成的拓扑1个有源元件和1个无源元件共组成45种拓扑结构，电气上连接正确的拓扑仅有8种，如图5所示。图5（a）（d）结构适用于电压源型负荷，图5（e）（h）结构适用于电流源型负荷。图5（e）结构是1987年Takeda M.等人提出的。该结构中无源元件可以是单调谐滤波器、高通滤波器或其组合，主要滤除大部分谐波。有源元件对谐波进行补偿，但不是直接消除谐波电流，而是提高无源元件滤波效果，它所产生的补偿电压中不含基波电网电压，只含谐波电

15、压，故其功率容量很小，经济性较好，适用于补偿大容量谐波负载。但有源元件仍然承受全部的基波电压，其开关器件的耐压没有降低7。图5（f）结构是1990年Fujita H.等人提出的。结构中的无源元件滤除3、5次等低次谐波，并补偿基波无功功率，有源元件仅作为负载电流和电网电压的高次谐波隔离器，并改善无源元件的滤波性能，防止电网与无源元件发生谐振。有源元件不直接承受系统基波电压，开关器件耐压等级低，容量可设计得较小，适用于高压系统6。图5（g）结构中，无源元件流过基波功率，阻止系统谐波流入负载侧，负荷谐波电流全部流入并联的有源元件支路。图5（h）结构是1988年Peng F.Z.等提出的。串联有源元件

16、相当于一个电流控制的电压源，产生与电网支路中谐波电流成比例的谐波电压。对谐波电流而言，有源元件等效为一个谐波阻抗，阻碍谐波流通；对基波而言，有源元件是一个几乎为零的阻抗，保证基波流通。该方案结合了2种元件各自的优点，大部分的谐波和无功补偿由低成本的无源元件构成，有源元件保证基波流通，隔离负荷谐波电流8。3.41个有源元件和2个无源元件组成的拓扑1个有源元件和2个无源元件共组成1216种拓扑结构，电气上连接正确的拓扑仅有18种，适用于电压源型负荷的拓扑如图6（a）（i）所示，适用于电流源型负荷的拓扑如图6（j）（r）所示2。图6（a）（i）结构适用于电压源型负荷，图6（j）（r）结构适用于电流源

17、型负荷。图6（a）（f）中均存在元件冗余。图6（a）和6（b）可以简化为图3（a）的拓扑结构；图6（c）和6（d）可以简化为图5（b）的拓扑结构；图6（e）和6（f）可以简化为图5（d）的拓扑结构。结构图6（g）（i）中，不存在冗余元件。图6（g）拓扑结构中，无源元件Z1为谐波提供了通路；无源元件Z2降低了有源元件的容量，但不降低滤波性能。图6（h）是降低图6（g）的等级得到的。图6（i）结构中，无源元件Z2降低了有源元件的容量，无源元件Z1没有使有源元件谐波抑制性能降低，从而该结构有源元件的电流和电压均得到了降低2。图6（p）中，无源元件Z1保证基波功率流通，无源元件Z2滤除大部分的谐波电流

18、并进行无功功率补偿，剩余部分由有源元件控制。该结构在Z1、Z2之王果，等：电气化铁路有源补偿结构的拓扑辨识及分析第1期图5 1个有源元件和1个无源元件组成的拓扑结构Fig.5 Topologies composed of one active elementand one passive element（a）拓扑1（b）拓扑2（c）拓扑3（d）拓扑4（e）拓扑5（f）拓扑6（g）拓扑7（h）拓扑8有源元件在谐波频率下是低阻抗的无源元件在基波频率下是低阻抗的无源元件表2适合电气化铁路单臂负荷综合补偿的拓扑特点Tab.2 Characteristics of topologies suitable

19、 for comprehensivecompensation of single-arm load of electric railroad结构谐波隔离无功补偿谐波抑制谐振抑制有源元件终端电压畸变元件是否冗余适用负载电压 电流图3（a）S-L否是是11无否电压源型图3（b）S-L是是是1G0供电端否电流源型图4（a）S-L是是是1G0供电端否电流源型图4（b）S-L是是是RG0供电端否电流源型图4（c）S-L是是是11无否电流源型图4（d）S-L是是是R1无否电压源型图4（e）S-L是是是1R无否电压源型图4（f）S-L是是是11无否电压源型图5（a）S-F否是是11无是电压源型图5（b）S-

20、L否是是1R无否电压源型图5（c）S-L否是是11无是电压源型图5（d）S-F是是是1G0供电端否电压源型图5（e）S-L是是是1G0供电端否电流源型图5（f）S-P否是是RG0供电端否电流源型图5（g）P-L是是是1G0负荷端否电流源型图5（h）S-L否是是11无否电流源型图6（a）P-L否是是11无是电压源型图6（b）P-L否是是11无是电压源型图6（c）P-L否是是1R无是电压源型图6（d）S-L否是是1R无是电压源型图6（e）无是是是1G0供电端是电压源型图6（f）S-P是是是1G0供电端是电压源型图6（g）S-L否是是11无否电压源型图6（h）S-F是是是RG0供电端否电压源型图6（

21、i）S-L否是是RR无否电压源型图6（j）P-L是是是1G0负荷端是电流源型图6（k）P-L是是是1G0负荷端是电流源型图6（l）P-L否是是11无是电流源型图6（m）S-L否是是11无是电流源型图6（n）P-L是是是RG0负荷端是电流源型图6（o）S-L是是是RG0供电端是电流源型图6（p）S-P是是是1G0供电端否电流源型图6（q）S-L否是是R0无否电流源型图6（r）S-F否是是RG0供电端否电流源型注：0表示有源元件不承受基波电压电流；1表示有源元件承受全部基波电压电流；R表示有源元件承受减小的基波电压电流；0G表示有源元件不承受电网电压；1G表示有源元件承受电网电压；RG表示有源元件

22、承受减小的电网电压；SL表示电源和负荷之间的谐波隔离；SP表示电源和无源元件之间的谐波隔离；PL表示无源元件和负荷之间的谐波隔离。间可能发生并联谐振，有源元件承受全部基波电压，等级较高2。图6（q）结合了图5（b）和5（h）结构的特点。无源元件Z1与有源元件并联，降低了有源元件的等级；无源元件Z2滤除大部分的谐波并进行无功补偿9。图6（r）是进一步降低了图6（q）中有源元件的等级得到的2。4适用于电气化铁路有源补偿的拓扑分析由于电力机车负荷是电流源型谐波源，一般选择并联补偿拓扑。对图（3）（6）中适用于电流源型负荷补偿的拓扑进行比较，如表2所示。从表2分析可知，这些拓扑是适用于电气化铁路的单臂

23、负荷。实际上电力机车负荷是电流源型谐波源，一般采用并联补偿拓扑。若再考虑降低有源元件的成本，可考虑选择有源和无源元件构成的混合拓扑形式。5结论通过以上分析，得到以下结论。a.若只考虑补偿效果，那么补偿拓扑图3（a）、图4（a）（c）、图5（e）（h）、图6（j）（r）均可以满足单臂负荷的要求。b.若考虑我国牵引变电所两臂负荷一般采用固定电容补偿、TCR或TSC进行无功补偿和有限次谐波的抑制，在牵引变电所原有补偿的基础上，增加小容量有源元件进行补偿，补偿拓扑图5（a）、图5（f）、图6（o）、图6（q）和图6（r）均可满足补偿要求。c.电气化铁路有源补偿，除了单臂负荷作为对象补偿之外，还可以实现

24、两臂负荷之间的基波功率流通，保证两臂负荷电流相等。在牵引变电所原有第32卷电 力 自 动 化 设 备图6 2个无源元件和1个有源元件组成的拓扑结构Fig.6 Topologies composed of one active elementand two passive elements（a）拓扑1（b）拓扑2（c）拓扑3Z1Z2Z1Z2Z1Z2（d）拓扑4（e）拓扑5（f）拓扑6Z2Z1Z2Z1Z1Z2（g）拓扑7（h）拓扑8（i）拓扑9Z2Z1Z1Z2Z1Z2（j）拓扑10（k）拓扑11（l）拓扑12Z2Z1Z2Z1Z2Z1（m）拓扑13（n）拓扑14（o）拓扑15Z2Z1Z1Z2Z1Z2

25、（p）拓扑16（q）拓扑17（r）拓扑18Z2Z1Z2Z1Z2Z1王果，等：电气化铁路有源补偿结构的拓扑辨识及分析第1期Identification and analysis of active compensation topology for electric railroadsWANG Guo1，TIAN Mingxing1，REN Enen1，DING Lina2，LIU Xia3（1.School of Automation and Electrical Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China；2.Sc

26、hool of Information Engineering，Dalian Ocean University，Dalian 116023，China；3.Department ofMechanical and Electronic Engineering，Xian University of Arts and Science，Xian 710065，China）Abstract：Based on the basic compensation system for the single-arm load of electric railroads，the general andsimplifi

27、ed formulas for its topology number are derived and the proper topology structure is obtained byanalysis.The topologic structures suitable for different single-arm loads of 25 kV AC electric railroads areobtained by comparing the characteristics and applicable ranges among different topology structu

28、res，whichprovides the reference for compensation topology selection of electric railroads in different power supply types.Key words：electric railroads；active compensation；topologies；identification；topology analysis无源补偿的基础上，补偿拓扑图3（a）、图4（c）（f），图5（b）（d）、图5（g）（h）、图6（a）（n）、图6（p）（q）均可以满足补偿要求。d.电气化铁路有源补偿，除

29、了把单臂负荷作为对象补偿之外，还可以把牵引变电所的三相作为一个整体利用三相变流器作为有源元件进行有源补偿，补偿拓扑图3（b）、图4（a）（b）、图5（e）（h）、图6（j）（r）均可以满足补偿要求。e.不同的拓扑结构适用于电气化铁路不同的情况，若要实现电气化铁路的综合有源补偿，采用哪一种拓扑结构，要根据实际情况详细分析而定。参考文献：1SENINI S T,WOLFS P J.Systematic identification and reviewof hybrid active filter topologiesCIEEE 33rd Annual onPowerElectronicsSpec

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